相轉(zhuǎn)移催化合成鄰乙氧基苯酚技術(shù)研究

馬永麗，章亞?wèn)|

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 前言

鄰乙氧基苯酚[1］是合成高檔香料乙基香蘭素的重要精細(xì)化工中間體。隨著消費(fèi)市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，合成鄰乙氧基苯酚具有很廣闊的的市場(chǎng)前景[2-6］。

鄰乙氧基苯酚的主要合成方法有4種[7-13］:①鄰苯二酚法。分為溴乙烷法、硫酸二乙酯法，其中硫酸二乙酯法中硫酸二乙酯毒性大，不宜工業(yè)化生產(chǎn);②鄰氨基苯乙醚法。缺點(diǎn)是產(chǎn)率低，三廢多。③鄰硝基氯苯和乙醇法。在三苯基膦存在條件下合成鄰乙氧基苯酚，缺點(diǎn)是產(chǎn)率低。④鄰硝基苯酚法。以鄰硝基苯酚和溴乙烷或氯乙烷為原料，經(jīng)醚化、還原、重氮化、水解等合成鄰乙氧基苯酚，缺點(diǎn)是合成路線(xiàn)長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，且污染嚴(yán)重。而以PEG-400為相轉(zhuǎn)移催化劑，鄰苯二酚與溴乙烷為主要原料合成鄰乙氧基苯酚的工藝條件溫和，易于操作。PEG及其單醚類(lèi)高分子相轉(zhuǎn)移催化劑受到人們的普遍重視，這是因?yàn)镻EG類(lèi)物質(zhì)不僅具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，毒性小，而且又有來(lái)源方便、價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，有利于工業(yè)應(yīng)用[14］。為此，本次研究選用PEG-400為催化劑綠色合成鄰乙氧基苯酚[15-16］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

溴乙烷，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;鄰苯二酚，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;環(huán)己烷，分析純，永大試劑;氫氧化鈉，分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;PEG-400化學(xué)純，鄭州德眾化學(xué)試劑廠(chǎng)。

1.2 儀器

控溫磁力攪拌器(SZCL-2)，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;循環(huán)水式多用真空泵(SHB-Ⅲ)，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;DZF真空干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器廠(chǎng);ZAR-1T阿貝折光儀，東南科創(chuàng)科技有限公司;GC-9800TFP氣相色譜分析儀，上海色譜儀器有限公司;FT-IR傅立葉變換紅外光譜儀，上海市實(shí)驗(yàn)儀器廠(chǎng);AVII-400核磁共振儀，德國(guó)Bruker公司。

1.3 鄰乙氧基苯酚

在裝有磁子、溫度計(jì)及直形冷凝管的三口瓶中加入一定量的水，通氮?dú)鈳追昼?，加入一定量的鄰苯二酚在一定溫度下攪拌溶解，加入一定量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氫氧化鈉溶液(自配)，反應(yīng)一段時(shí)間，再緩慢加入一定量的溴乙烷、環(huán)己烷、PEG-400，反應(yīng)數(shù)小時(shí)，冷卻至室溫，酸化，使用一定量環(huán)己烷萃取，在分液漏斗中分出有機(jī)相，得含有產(chǎn)品的粗產(chǎn)物。使用GC檢測(cè)[17］，測(cè)定產(chǎn)品含量。主要反應(yīng)方程式如下:

1.4 收率測(cè)定方法

1.4.1 計(jì)算公式

本文在計(jì)算反應(yīng)收率時(shí)采用內(nèi)標(biāo)法計(jì)算，以鄰苯二酚為關(guān)鍵組分，并以此計(jì)算鄰乙氧基苯酚的收率Y。

注:Y，鄰乙氧基苯酚的收率。

1.4.2 內(nèi)標(biāo)分析方法

為了準(zhǔn)確定量分析反應(yīng)產(chǎn)物鄰乙氧基苯酚的收率，選取內(nèi)標(biāo)物與鄰乙氧基苯酚的面積比為橫坐標(biāo)，內(nèi)標(biāo)物與鄰乙氧基苯酚的質(zhì)量比為縱坐標(biāo)，通過(guò)氣相色譜分析做出標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

圖1 鄰乙氧基苯酚的內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 影響因素的考察

鄰乙氧基苯酚的相轉(zhuǎn)移催化合成過(guò)程主要包括堿化以及親核取代反應(yīng)兩步。反應(yīng)過(guò)程可能出現(xiàn)一些副反應(yīng)，如:堿化過(guò)程兩個(gè)酚羥基均發(fā)生反應(yīng)，在第二步中與溴乙烷在相轉(zhuǎn)移催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)生成鄰二乙氧基苯，溴乙烷堿性條件下的消除反應(yīng)等。所以本文主要是針對(duì)參與反應(yīng)的物質(zhì)配比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度及催化劑用量做了考察。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)以及結(jié)果分析

具體方案擬定如下:以鄰苯二酚為基準(zhǔn)，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)，固定如下因素:①加料方式;②攪拌速度;③溶劑環(huán)己烷用量;④溶劑水的用量。設(shè)計(jì)了五因素四水平L16(45)正交實(shí)驗(yàn)，考察了氫氧化鈉與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比(A)、溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比(B)、反應(yīng)時(shí)間(C)、反應(yīng)溫度(D)、催化劑PEG-400用量(E)對(duì)合成工藝的影響。L16(45)正交實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表1和表2。

表1 L16(45)因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知:①收率隨各因素的變化關(guān)系。隨著氫氧化鈉以及溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比分別由0.8增至1.4過(guò)程中，鄰乙氧基苯酚的收率均先增大后減小，在1.2處達(dá)到最大;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鄰乙氧基苯酚收率先增加后減小，在反應(yīng)時(shí)間為6 h時(shí)達(dá)到最大;隨著反應(yīng)溫度的提高，鄰乙氧基苯酚收率先增加后減小，在反應(yīng)溫度為65℃ 時(shí)達(dá)到最大;隨著催化劑用量的增加，鄰乙氧基苯酚收率先增加后緩慢減小，在催化劑用量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)達(dá)到最大;②各因素指標(biāo)的影響大小關(guān)系。極值R的大小表明了各個(gè)因素影響的主次關(guān)系，其主次順序?yàn)?E＞A＞B＞C＞D;根據(jù)各個(gè)因素影響的主次關(guān)系，選定最優(yōu)的方案A3B3C3D3E3。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

為了更全面的考察各因素對(duì)該反應(yīng)體系的影響，進(jìn)一步進(jìn)行工藝優(yōu)化。進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)地考察了氫氧化鈉與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比、溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比、催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)該反應(yīng)的影響，優(yōu)化了的合成條件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每考察完一個(gè)因素，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中均取該因素的適宜值。

①氫氧化鈉與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比?？刂其逡彝榕c鄰苯二酚的物質(zhì)的量比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為65℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，催化劑用量為2%，考察氫氧化鈉與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)收率的影響。

圖2 氫氧化鈉與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比與鄰乙氧基苯酚收率的關(guān)系

由圖2知，在氫氧化鈉與鄰苯二酚物質(zhì)的量比漸漸增大的過(guò)程中，鄰乙氧基苯酚的收率現(xiàn)增加后減小，在n(NaOH)∶n(C6H6O2)=1.2∶1時(shí)最大，可能是因?yàn)樵诔跏級(jí)A濃度增加時(shí)，鄰苯二酚與氫氧化鈉反應(yīng)的量增大即烷氧負(fù)離子的量增加，增加了親核反應(yīng)的鄰苯二酚量，當(dāng)氫氧化鈉量繼續(xù)增加時(shí)，溴乙烷會(huì)發(fā)生消除反應(yīng)，減小了參與主要反應(yīng)的溴乙烷量，所以堿濃度的最適宜量為:n(NaOH)∶n(C6H6O2)=1.2 ∶1。

②溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比?？刂茪溲趸c與鄰苯二酚與物質(zhì)的量比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為65℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，催化劑用量為2%，考察溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)收率的影響。

圖3 溴乙烷與鄰苯二酚物質(zhì)的量比與鄰乙氧基苯酚收率的關(guān)系

由圖3知，在溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比漸漸增大的過(guò)程中，鄰乙氧基苯酚的收率先增加后減小，在n(C2H5Br)∶n(C6H6O2)=1.2∶1時(shí)最大，由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)知，當(dāng)溴乙烷初始增加濃度時(shí)，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，n(C2H5Br)∶n(C6H6O2)=1.2∶1時(shí)達(dá)到最大，當(dāng)溴乙烷濃度再增加時(shí)，會(huì)促使鄰二乙氧基苯醚的生成，鄰乙氧基苯酚收率降低。所以最佳的 n(C2H5Br)∶n(C6H6O2)=1.2∶1。

③反應(yīng)溫度的影響?？刂茪溲趸c與鄰苯二酚與物質(zhì)的量比為1.2∶1，溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比為1.2∶1，反應(yīng)時(shí)間為6 h，催化劑用量為2%，考察反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響。

圖4 反應(yīng)溫度與鄰乙氧基苯酚收率的關(guān)系

隨著反應(yīng)溫度的增加，鄰乙氧基苯酚的收率先增加后減小，與正交試驗(yàn)相比，在65～70℃又增加幾個(gè)溫度的分布點(diǎn)，以更加準(zhǔn)確確定最佳的反應(yīng)溫度。結(jié)果表明，在溫度為68℃ 時(shí)達(dá)到最大，溫度再增加時(shí)，會(huì)促使副反應(yīng)的進(jìn)行，如:溴乙烷的消除反應(yīng)等。即最佳的反應(yīng)溫度為68℃。

④反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)收率的影響。控制氫氧化鈉與鄰苯二酚與物質(zhì)的量比為1.2∶1，溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為68℃，催化劑用量為2%，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)收率的影響。

圖5 反應(yīng)時(shí)間與鄰乙氧基苯酚收率的關(guān)系

隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，鄰乙氧基苯酚的收率先增加后減小，在反應(yīng)時(shí)間為6 h時(shí)達(dá)到最大，時(shí)間再增加時(shí)，會(huì)促使副反應(yīng)的進(jìn)行，如:生成的鄰乙氧基苯酚與溴乙烷反應(yīng)生成雙醚。所以最佳的反應(yīng)時(shí)間為6 h。

⑤催化劑用量對(duì)反應(yīng)收率的影響?？刂茪溲趸c與鄰苯二酚與物質(zhì)的量比為1.2∶1，溴乙烷與鄰苯二酚的物質(zhì)的量比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為68℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，考察催化劑用量對(duì)反應(yīng)收率的影響。

圖6 催化劑用量與鄰乙氧基苯酚收率的關(guān)系

隨著催化劑用量的增加，鄰乙氧基苯酚的收率先增后減，在催化劑用量達(dá)到2.0%時(shí)，反應(yīng)收率最大，催化劑用量再增加時(shí)，收率降低，這可能是因?yàn)樵诖呋瘎┻^(guò)量時(shí)，逆反應(yīng)同樣加速進(jìn)行。即催化劑的最適宜條件為2.0%。

2.4 小結(jié)

最終確定最佳反應(yīng)的工藝條件:

n(C6H6O2)∶n(NaOH)∶n(C2H5Br)=1∶1.2∶1.2，反應(yīng)溫度為68℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，催化劑用量為2.0%，此條件下進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

表3 重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 產(chǎn)品表征

圖7 鄰乙氧基苯酚紅外圖譜

由圖7可知:3 536.22 cm-1，O—H 的伸縮振動(dòng)值(理論值 3 633 cm-1)。2 982、2 932 cm-1，—C H2， — C H3的伸縮振動(dòng)值(理論值2982、2 935 cm-1)。3 062.71、921.63 cm-1，苯環(huán)的C — H 鍵伸縮振動(dòng)值(理論值3 064、926 cm-1)。1259.98 cm-1，C—O 的伸縮振動(dòng)值(理論值1 259 cm-1)。1 501.67、743.8 cm-1，苯環(huán)的鄰位取代值(理論值 1 502 cm-1，744 cm-1)，和 Spectral Database for Organic Compounds SDBS標(biāo)準(zhǔn)譜圖基本一致。

4 結(jié)論

以PEG-400為催化劑合成鄰乙氧基苯酚，以鄰乙氧基苯酚的收率為參考指標(biāo)，確定合成鄰乙氧基苯酚的最佳工藝條件為n(C6H6O2)∶n(NaOH)∶n(C2H5Br)=1∶1.2 ∶1.2，反應(yīng)溫度為68 ℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，催化劑用量為2%;該反應(yīng)條件下，鄰乙氧基苯酚收率65%;此工藝條件簡(jiǎn)單，污染小，有關(guān)催化劑的回收研究正在進(jìn)行中。

[1]徐克勛.精細(xì)有機(jī)化工原料及中間體手冊(cè)[M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[2]李雪梅，張文祥，朱小梅，等.Al-P-Ti-Si-O體系催化劑上乙醇和鄰苯二酚的o-乙基化反應(yīng)[J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2002，23(8):1552-1555.

[3]張能芳，譚祝捷，梁桂蕓.乙基香蘭素的合成[J］.河北化工，1990(2):13-14.

[4]劉萬(wàn)民，陳范才，葉一鳴，等.乙基香蘭素合成方法研究方法進(jìn)展[J］.四川化工，2004(7):22-24.

[5]張莉瓊，柴多里.鄰乙氧基苯酚的合成研究[J］.廣東化工，2009，36:43-45.

[6]Hans-Rene B，Lucia L，F(xiàn)rancesco M.High selectivity in the oxidation of mandelic acid derivatives and in omethylation of protocatechualdehyde:new processes for synthesis of vanillin，iso-vanillin，and heliotropin[J］.Organic Process Research＆Development，2000(4):534-543.

[7]Heinz K.Heterocyclic growth regulators:US，5104443[P］.1992.

[8]Erika P.Methods and compositions:US，20100160451[P］.2010.

[9]盛 光，吳廣峰，黃金霞，等.鄰乙氧基苯酚的合成與精制[J］.化工科技，2007，15(5):41-44.

[10]程文峰.乙基愈瘡木酚合成方法研究[J］.精細(xì)化工，2011，42:8-10.

[11]薛 冰，簡(jiǎn)相杰.碳酸二乙酯與鄰苯二酚乙基化反應(yīng)合成鄰乙氧基苯酚[J］.石油化工，2008，37:296-299.

[12]吳 臣，李連貴，朱翠蘭.鄰乙氧基苯酚的合成[J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，23(增):125-127.

[13]宋錫瑾，王常申 .合成苯甲醚的新工藝[J］.精細(xì)化工，2000，17(1):42-44.

[14]章亞?wèn)|，高曉蕾，蔣登高，等.聚乙二醇相轉(zhuǎn)移催化合成對(duì)硝基苯甲醚工藝[J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2002，23(2):23-26.

[15]李英春，滕俊江.乙基香蘭素的相轉(zhuǎn)移催化合成[J］.應(yīng)用化工，2004，33:26-27.

[16]張珍明.相轉(zhuǎn)移催化合成鄰乙氧基苯酚的研究[J］.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，7(4):43-45.

[17]王多余.鄰羥基苯乙醚的氣相色譜分析研究[J］.安徽化工，2008，34:67-69.